大功率LED器件的光学 (2)-PPT精品文档39页
大功率LED照明系统的光学设计研究
大功率LED照明系统的光学设计研究随着科技的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对于照明设备的要求也越来越高。
传统的白炽灯和荧光灯已经逐渐被LED照明系统所替代，而其中的大功率LED照明系统更是在许多领域中游刃有余。
它具有高亮度、高能效、长使用寿命等优点，对于室内照明、城市照明、汽车照明、广告照明等领域都有着广泛的应用。
然而，在大功率LED照明系统的光学设计中，需要考虑到众多的因素，包括光源特性、反射率、折射率等等，才能设计出满足实际需求的照明系统。
光源特性是影响光学设计的重要因素之一。
大功率LED照明系统采用的LED光源具有高能效、高亮度、长使用寿命的特点，但由于光线的直线传播性，单个LED只能向某一方向发光，因此在设计照明系统时需要对光源的位置、数量、分配等进行精确计算，以保证光线的合理分布。
对于大面积的照明区域，需要采用多个LED光源并组合在一起，形成一个光源阵列，以达到足够的亮度和均匀的照明效果。
在光源设计之外，还需要考虑到光源的色温、色彩还原度、光通量等特性，以保证照明系统的色彩还原度和亮度均衡。
反射率和折射率也是影响光学设计的关键因素。
在大功率LED照明系统中，反射率和折射率决定了光线在镜面反射、衍射和折射时的损失情况，也决定了光线的分布和照度均匀性。
因此需要在设计中考虑到光学透镜、反射镜、漫反射材料等元件的选择和排列。
光学透镜是将LED发出的光线聚焦到预定照明区域的核心元件，其设计需要考虑光线的角度、位置、数量和形状等因素。
反射镜能够将落在其表面的光线进行反射，同时减小板材和电路板等其他元件的光损耗，必须紧密配合透镜进行设计。
漫反射材料能够将光线在表面反射、折射、散射，使光线更均匀地照射目标区域，必须考虑其材料组成、反射率和折射率等特性。
整体来看，大功率LED照明系统的光学设计具有的复杂性、综合性和专业性在不断提高，需要多学科的怀揣和长期的实践经验才能够达到令人满意的照明效果。
在设计过程中，需要根据实际应用需求以及可行性原则进行综合考虑，以达到经济、实用、美观和环保等最佳设计目标。
LED灯具的光学技术ppt课件
2.1.7 使用不当引起的光衰 不恰当地供电，造成电流大于安全工作的要求，会引起LED光衰。 使用时散热条件不好，使LED芯片的温度过高，产生光衰。
2.2 LED透镜配光引起的光衰
为达到理想的光型和光斑，常在LED光上加装透镜、一般透镜材料有两 种，树脂亚克力的，它的透过率为93%（理想状态）。但这种材料做的透镜工
作一段时间后，由于紫外线的影响会黄化，引起透光率下降，下降范围一半在
10%——30%左右，另一种透镜材料为光学玻璃。这种透镜对紫外线不敏感， 几乎没有光衰现象发生。
2.3 光源腔及灯罩污染引起的光衰 由于有些灯具密封不严，防护等级到不到，使一些水气、灰尘、小虫进入
光源腔，从而影响出光形成光衰。也有的是由于灯罩是使用有机材料（亚克力）
2.1.5 支架对LED 光衰的影响 支架的材料有铜支架、铁支架、铝支架和陶瓷基架，由于导热性能不同和 热阻的存在，在一定的条件下会引起结温升高，从而导致光衰。
2.1.6 封装工艺结构对LED光衰的影响 由于封装的工艺和结构不同在LED工作时由于这些工艺和结构会使导热不
畅、温度上升，从而引起光衰减，是与荧光粉和封装胶相比影响小得多。
2.1.2 蓝光LED晶片自身的快速衰退，影响是第二位。
首先，蓝光LED晶片由于外延材料的原因，就在工作时有衰减。
目前常用的蓝光晶片存底材质一般为碳化硅和蓝宝石，碳化硅一般设
计为单点极，其导热效果比较好，蓝宝石一般设计为双电极，热阻较 大，导热效果较差；第二，是晶片的尺寸大小，在晶片材质相同时， 尺寸大小不同衰减也有一定的差距，因此选择材料较好的LED晶片和 合适的尺寸大小也是很重要的。
老化引起的光衰。另外，灯罩外面沾满尘土、小虫、被污染也使出光量下降， 形成灯具光衰。
大功率LED照明系统的光学设计研究
大功率LED照明系统的光学设计研究随着科技的发展，大功率LED照明系统在照明领域的应用越来越广泛。
在大功率LED照明系统的设计中，光学设计起着至关重要的作用。
本文将探讨大功率LED照明系统光学设计的研究。
首先，大功率LED照明系统的光学设计需要考虑到光的传输和分配。
光线在LED发光器件中发出后，需要通过透镜等光学元件进行传输。
透镜的设计要考虑到光的折射和反射，使光能够准确地向目标方向传播。
透镜的形状、材料以及曲率都会对光的传输效果产生影响，因此需要进行光学仿真或实验来验证设计效果。
其次，大功率LED照明系统的光学设计还需要考虑到光的分配。
在照明应用中，需要将光能够均匀地分布在照明区域内。
因此，光学设计需要考虑到照明系统的布局和光源的位置。
通过合理地选择光学元件的类型和参数，使得光能够在照明区域内均匀分布，避免出现光强不均匀或光斑聚集的情况。
此外，大功率LED照明系统的光学设计还需要考虑到色彩和色温的控制。
色彩和色温是照明效果的重要指标，直接影响到人们对光的感知和舒适度。
因此，光学设计需要考虑到LED发光器件的颜色参数和色温参数，使得照明系统能够提供符合要求的色彩和色温效果。
此外，大功率LED照明系统的光学设计还需要考虑到能耗和节能。
照明应用中，能源消耗是一个重要的问题，因此需要通过合理的光学设计来降低能耗。
例如，可以通过设计透镜或反射器的形状和材料，使光的反射率和透射率达到最优化，减少能量的损失。
最后，大功率LED照明系统的光学设计还需要考虑到系统的可靠性和寿命。
LED作为照明源具有长寿命、高可靠性等特点，但在实际应用中也可能存在一些问题，例如退化和光衰。
因此，光学设计需要考虑到LED照明系统在长时间使用中的灯光性能变化，通过合理的光学设计来延长系统的寿命。
综上所述，大功率LED照明系统的光学设计涉及到光的传输和分配、色彩和色温的控制、能源的节约、系统的可靠性等方面。
通过合理的光学设计，可以提高大功率LED照明系统的照明效果和能源利用率，提高系统的可靠性和寿命。
大功率LED
工作原理
发光二极管（LED）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学等系统 组成。LED的基本工作原理是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区 的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的 少数载流子相对不稳定，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将 以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和 波长就不同，相应的光的颜色就会不同。
传导：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接]触，将发生电荷转移。
2，静电对LED灯珠的危害：
因瞬间的电场或电流产生的热，使LED灯珠局部受伤，表现为漏电流迅速增加，仍能工作，但亮度降低（白 光将会变色），寿命受损。
因电场或电流破坏LED灯珠的绝缘层，使器件无[法工作（完全破坏），表现为死灯。
3．连接方法：
大功率LED灯珠基板与散热片连接时请保证两接触面平整，接触良好，为加强两接触面的结合程度，建议在 LED基板底部或散热片表面涂敷一层导热硅脂（导热硅脂导热系数≥3.0W/m.
因为LED属半导体器件，对静电较为敏感，尤其对于白、绿、蓝、紫色LED灯珠，所以要做好预防静电产生和 消除静电工作
大功率LED专业技术知识第一部分(2)
3、自动点粉
品牌：日本武臧 数量：2台 质量：精准 ①自动将荧光粉均匀精准的点在铜柱上，实现有蓝光转换成白光的过程 ; ②在正常运作的情况下每小时PPH值为2-3K,一天产能为20-30K左右; ③ 机台在操作不当时，出现多胶、颜色不均匀等问题。
4、抽真空干燥箱、搅拌机、
品牌：宜极邦 数量：个一台 功能： 搅拌、抽空 ①真空机将搅拌好的胶水含有的气 泡抽干净、搅拌机用来搅拌胶水和 抽真空功能为一体的设备； ②使胶水没有空气和气泡问题，方 便作业; ③ 操作不当时出现气泡、胶水异 常等问题.
4、晶片
七、我司LED产品，在使用过程中 需注意那些方面的问题：
一、保存：
①LED应存放在室温30°C湿度40-70%的环境 中保存，不可长期放置在高温高湿的环境的环境 中存放，放置时加入适量的干燥剂； ②若干燥剂退色或产品长期不使用时，放入 60°C烤箱烘烤2H去湿去潮； ③产品在存放时不可不可对产品透镜上施加2公斤 以上的重物挤压，避免透镜挤压变形，使透镜内 部结构受损；
二、使用：
①使用40W以下恒温的烙铁焊接，每次焊接时 间控制在3S以内，每次需间隔3S以上，避免烙 铁头的高温从产品引脚传递到透镜内部使材质 发生变化，并且使烙铁头温度控制在300度以下； ②在焊接过程中避免烙铁烫伤透镜，并且手指 不可用大力去挤压透镜顶部； ③焊接过程中散热板焊盘部分需点大于 2.0W/mK的导热硅脂来提高产品散热性能； ④焊接和取用时烙铁和人体必须接地；
2、自动焊线
品牌:ASM 数量：4台 质量：行业公认 ①自动将1.2/1.5mil金线焊 接在晶片和支架正负极 上，； ②在正常运作的情况下每 小时PPH值为2-3K,一天 产能为20-30K左右，焊 接100W模组产能近 1000PCS，每秒中可以打 出12-20条金线; ③ 机台在操作不当时，有 焊偏、线弧不好，金球 过大小等问题。
LED基本光电参数ppt课件
光谱能量分布图：一个发光二极管所发之 光并非单一波长，其波长大体按图2所示。 纵轴为相对能量。
4.峰值发射波长λp(Peak-emission Wavelength)： 光谱辐射功率最大的值所对应的波长。LED 都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有 一个波长，此波长为峰值波长，它由半导体 材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定 。 5.光谱半波宽Δλ (Full Width Half Maximum， FWHM)：峰值发射波长的辐射功率的1/2所 对应两波长的间隔。光谱宽度窄意味着单色
2.光强度(Luminous Intensity) 测量单位: 坎德拉candela,或者烛光。 通常，一个光
源在各个方向上有着不同的照射强度。光源在单位立体 角内发射的光通量，可表示为IV=dΦ/dΩ。 3.光照度：相当于1 lm的光通量均匀地照在1 m2 面积上所 产生的光照度，单位勒克斯〔lx）。
LED 的发光强度测量
●规定远场(条件A) 为316mm ,对应的立体角 0.001Sr 。相应的平面角为2°。规定近场(条 件B) 为100mm ,对应的立体角为0.01Sr。相 应的平面角为6.5°。两者之间可用10 倍关 系相互联系。
老化：LED的亮度随着工作时间的增加而 衰减，老化快慢与电流密度和老化时间有 关。
所产生的漏电流.
ESD
人体放电模式的ESD 是指因人体在地上 走动磨擦或其它因素在人体上已累积了 静电，当此人去碰触到IC时，人体上的 静电便会经由IC 的脚(pin)而进入IC 内， 再经由IC 放电到地去，如图2.1-1(a)所示。 此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns) 的时 间内产生数安培的瞬间放电电流， 此电流会把IC 内的组件 给烧毁。
LED基本光电参数
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提纲
发光原理 主要光学指标 白光的实现 光效的提高 产业化现状
发光原理
发光二极管的核心部分是 由p型半导体和n型半导体组 成的晶片，在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层， 称为p-n结。在某些半导体 材料的PN结中，注入的少 数载流子与多数载流子复合 时会把多余的能量以光的形 式释放出来，从而把电能直 接转换为光能。这种利用注 入式电致发光原理制作的二 极管叫发光二极管，通称 LED。
第一。产值占全国70%. 2019年，全省LED总产值达1200亿元。2019年超3000亿元。 2019年LED省内LED产值预计：LED显示屏750亿，LED
背光源450亿，室外照 明700亿，室内照明100亿。 著名企业：东莞勤上光电，花都鸿利光电、广州南科、南
沙晶科、深圳雷曼光电、洲明电子、珠海德豪润达，江门 金威光光电 、佛山国星光电。 广东省新光源产业基地：南海罗村、广州化龙镇、中山古 镇。
荧光粉胶水
环氧树脂 密封防潮性好，价廉。易光老化，热裂。
有机硅树脂 密封性防潮好，较贵。耐热性好、耐候性佳、 透光性好。 附着力欠佳。
荧光粉与胶水的选配
荧光粉的粒径、形状、配比浓度以及与胶水折射率大小 的匹配度，决定了荧光粉层透光性的大小。其中，折射率的 匹配，最难解决。以黄色荧光粉YAG（钇铝石榴石 ）为例，其 折射率为1.82，而一般的有机胶水折射率较低。有机硅树脂 的折射率仅为1.41。可能过改性提高其折射率。
主要光学指标
亮度 发光效率 出光均匀性 显色指数 色温（色坐标） 光衰（寿命） 。。。
LEபைடு நூலகம்器件光电性能综合测试系统
光辐射安全标准检测设备
LED器件的发光光谱
色坐标与色温
光强分布曲线
不同色温下物体的颜色
显色指数
白光的实现
目前实现白光LED照明的为两大主流技术：
荧光粉对入射光会有较强的反向 光散射，导致取光效率不高。
荧光粉与胶水之间的相对折射率和透光性、扩散性的关系 数据来源：2019级应用物理，严启臻（留学德国）
远程荧光粉技术：将荧光粉与LED芯片分离，把荧光 粉层反向散射的光再反射出去，提高光效。还可解决 荧光粉受热光衰的问题。因荧光粉昂贵，不常采用。
1. 利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外 光分别转换为双波长(Dichromatic) 或三波长(Trichromatic)白光， 称之为荧光粉转换白光LED(Phosphor Converted-LED)。 2. 多芯片型白光LED，经由组合两种(或以上)不同色光的LED 组合以形成白光。器件成本高，但显色指数高，色温连续可调 ，多用于室内照明和艺术照明。 目前白光LED商品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍， 主要应用于汽车照明与手机面板等领域，以目前白光LED产品 市场分析，荧光粉转换白光LED可谓主流。 红色和绿色荧光粉 多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差，光效低，光衰较 大。
LED专用荧光粉
Tb3Al5O12:Ce 掺铈铝酸铽
光学效率的提高
LED芯片设计与制造 内封装 外封装
光学增透 荧光粉 光学透镜 反射 灯罩
器件结构
LED路灯
三名年轻的多伦多大学毕业生，成立初创企业制造出声称是“史上 最省电纳米LED灯泡”，被李嘉诚注资发展。点灯成金。
窗口层 p 型限制层 有源层 n 型限制层 布拉格反射层 n-GaAs 衬底
表面粗化（致绒）技术
为了打破全反射条件，可以在出光面采用 物理和化学的方法，将GaN材料表面纳米级 粗化，可提 高取光效率近1倍。
光子晶体的使用
采用纳米微球模板刻 蚀工艺，或者采用物 理镀膜的方法，在 GaN表面制作纳米柱、 纳米金字塔形的亚波 长结构，并经严格的 光学设计，可进一步 提高取光效率。
发光原理
发光波长与半导体禁带宽度和晶格常数之间的关系
第三代半导体材料_氮化镓
1.宽带隙，通过掺杂，可实现从紫外到红外的发光。 2. 耐温性好，可制成大功率器件。 3. 导热性好。 4. 化学稳定好。 5. 抗辐射能力强。
大功率LED器件得以实现的主要原因： 1.蓝宝石单晶衬底材料的获得。 2.耐温GaN材料的开发 。 3.人工超晶格_多量子阱结构的研究，极大 地提高了LED器件的内量子发光效率。 4. MOCVD外延生长工艺的开发成功。
其物理本质是利用折 射率渐变来实现广角 增透（前面已有介 绍）。
防眩光灯罩
发明专利：一种防眩光低光损扩散板及其制备方法和应用，2019年授权 体散射聚合物导光板及其注塑母料的制备方法，2019年授权
广东2019 年成为全球最大生产基地
国家发改委：2019年10月1日禁止生产销售白炽灯。 2019年，全省LED总产值853亿元。企业3000多家。居全国
据猜测，飞利浦公司（2009年，首届）与 GE(2019年，第二届)的参加美国能源部L大奖的 参赛作品采用了远程荧光板技术。
光学增透技术
光子在GaN材料中产生，为四面发散光，后 向光子经布喇格反射层反射前向射出。
在各个光学层及光学界面上，光被吸收、 散射，光最终出射时，大部分光因全反射 而无法射出。
荧光粉胶水的折射率 环氧树脂：1.48-1.65 有机硅树脂：1.41-1.45
YAG荧光粉的SEM照片
光的背向散射
荧光粉层直接与芯片接触，芯片 的高温导致荧光粉层过热，荧光 粉会发生温度淬灭及温漂等现象。 芯片散热不良。胶层因热应力易 导致裂纹。
胶层厚度、形状不易精确控制， 导致混光效果不均匀，产品批次 重复性不好。
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